金川深部岩爆倾向性及隧巷围岩稳定性分析

论文摘要

金川镍矿因矿体埋藏深、地应力高、岩体破碎、开采条件极差等因素闻名于世。近年来,随着金川主力矿山二矿区采掘深度不断加大,深部岩体围岩质量恶化,地应力、水-岩相互作用进一步加强等问题逐步显现,严重影响了深部岩体工程的稳定性。集中体现在诸如岩爆等地质灾变风险进一步加大,适用于浅部开采的隧巷支护型式与围岩控制技术不能有效地控制深部环境下的岩体隧巷工程变形。面对越来越严峻的实际情况,有必要对深部工程区域开展深入细致的多方位研究,探究制约围岩稳定性影响因素,制定适合该复杂条件下的围岩稳定性分析和控制方法。本论文以金川公司科技攻关项目“金川矿山深部高强度采掘条件下的岩石力学研究”为依托,结合金川二矿区工程实际,将现场监测、工程地质调查、理论分析及数值模拟等多种方法有机地结合起来,探索金川深部岩体工程的岩爆灾变倾向及渗流效应对围岩稳定性的影响。本文主要进行了如下几方面的工作和研究：1.对二矿区开展现场调研,深入实验区段采集岩石样本,系统收集、整理、分析前人相关研究成果,揭示其深部地质构造、构造应力场分布特征和岩体弱面发育特征等地质信息。2.通过设置岩石力学常规实验和针对性实验成果,参阅相关理论进行研究,利用模糊数学综合研究基于多因素影响下的深部岩体岩爆灾变的倾向性。研究认为,考虑单一因素的判爆准则不适用于如金川等深部复杂地质环境,而建议采用基于多因素共同影响的综合研究方法判定岩爆等灾变的倾向性。并以此思想为指导得出金川深部六种典型岩性均具有弱岩爆倾向的结果。3.以考虑渗流效应对深部岩体稳定性影响为研究内容,运用大型专业有限元软件MDAS/GTS建立水力耦合下的等效连续介质计算模型,对比模拟分析了在高应力作用下深部岩体开挖卸载过程中,有无渗流效应对金川深部隧巷的影响。根据分析结果,本文认为,在高地应力作用下,隧巷开挖引起的围岩应力重分布对渗流场分布规律有显著影响,但渗流场的变化对围岩的变形及应力分布规律影响不大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 地下稳定性研究现状
• 1.2.1 隧巷围岩稳定性研究的方法
• 1.2.2 金川稳定性研究现状
• 1.3 岩爆形成机理研究现状
• 1.4 水对岩体稳定性的研究现状
• 1.5 本文研究内容、目标和方法
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 研究方法
• 第二章 地下硐室围岩稳定性的影响研究与变形特点
• 2.1 围岩破坏方式与机制
• 2.2 影响隧巷稳定的主要因素
• 2.2.1 地应力影响
• 2.2.2 围岩类别
• 2.2.3 岩体结构面
• 2.2.4 地下水
• 2.2.5 采动的影响
• 2.3 金川深部隧巷的破坏特征及变形规律
• 2.3.1 深部隧巷破坏特征
• 2.3.2 深部隧巷变形规律
• 2.4 本章小结
• 第三章 金川二矿区概况及深部岩石力学性质研究
• 3.1 金川二矿区地质调查
• 3.1.1 矿区地质构造
• 3.1.2 矿区地质岩组与岩体结构类型区划
• 3.1.3 深部岩体结构面调查
• 3.2 水文地质调查
• 3.2.1 水文区划
• 3.2.2 涌水量预测
• 3.2.3 裂隙水对隧巷影响
• 3.3 地应力环境
• 3.4 矿区隧巷支护现状
• 3.4.1 支护技术应用原则
• 3.4.2 支护运用主要形式
• 3.5 深部岩样室内物理力学实验
• 3.5.1 岩石的物理性质
• 3.5.2 岩块单轴抗压强度、弹性模量与泊桑比试验
• 3.5.3 岩块抗拉强度试验
• 3.5.4 峰前加卸载试验
• 3.6 本章小结
• 第四章 金川二矿区深部岩爆灾害倾向性的模糊预测
• 4.1 岩爆预测的研究方法
• 4.2 金川二矿区深部岩爆单因素倾向性评价
• 4.2.1 基于自身岩性特征下的脆性系数法岩爆判据
• 4.2.2 基于应力角度下的Barton岩爆判据
• ET)判据法'>4.2.3 基于能量理论下的弹性应变能指数(W_ET)判据法
• 4.2.4 基于岩体结构的围岩质量RMR法
• 4.3 基于模糊数学多因素评价
• 4.3.1 建立评判因素集U
• 4.3.2 建立岩爆烈度评判集V
• 4.3.3 模糊关系矩阵R及因素隶属函数的确定
• 4.3.4 指标因素权重集A的确定
• 4.3.5 评判集B及综合评判
• 4.4 岩爆防治措施
• 4.5 本章小结
• 第五章 金川深部隧巷围岩稳定性数值模拟研究
• 5.1 数值模拟软件简介
• 5.2 GTS中流固耦合分析理论
• 5.2.1 稳定流分析
• 5.2.2 流动法则
• 5.2.3 基本方程式
• 5.2.4 应力—渗流耦合分析
• 5.3 计算模型的建立
• 5.3.1 模型计算范围
• 5.3.2 模型计算参数及边界条件
• 5.4 渗流效应与隧巷围岩稳定性对比分析
• 5.4.1 围岩应力场分析
• 5.4.2 围岩变形分析
• 5.4.3 开挖卸载对渗流场分析
• 5.5 隧巷断面及支护改进建议
• 5.5.1 隧巷断面的优选建议
• 5.5.2 隧巷支护建议
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 论文研究的创新点
• 6.3 不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要研究成果